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EMC

Entkopplungskondensator EMV-Auswahl

Berechnet Kondensatorimpedanz bei einer Frequenz und Selbstresonanzfrequenz für EMV-Entkopplung der Stromversorgung.

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Formel

Xc = 1/(2πfC), f_SRF = 1/(2π√LC)

C— Capacitance (F)
L— Package inductance (varies by package) (H)

Wie es funktioniert

Entkopplungskondensatoren unterdrücken Störungen in der Stromversorgung, indem sie einen Pfad mit niedriger Impedanz für hochfrequente Ströme in der Nähe des ICs bereitstellen. Die kapazitive Reaktanz bei der Frequenz f ist Xc = 1/ (2δFc). In der Praxis hat jeder Kondensator einen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und eine äquivalente Serieninduktivität (ESL, typischerweise 0,5—2 nH für SMD-Gehäuse). Die Gesamtimpedanz liegt |Z| = √ (Xc² + ESR²) unter der Eigenresonanz, und die Eigenresonanzfrequenz ist F_srf = 1/ (2δ√ (L_pkg × C)), wobei L_pkg ≈ 1 nH für ein 0402-Gehäuse. Oberhalb von F_srf verhält sich der Kondensator induktiv und verliert seine Entkopplungseffektivität. Wählen Sie für EMC die Kondensatorwerte so, dass F_SRF in die Nähe der Schaltfrequenz oder der zu unterdrückenden Taktoberschwingung fällt. Mehrere parallel geschaltete Kondensatoren erweitern die Bandbreite mit niedriger Impedanz.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein 100-nF-Kondensator mit ESR = 0,05 Ω muss eine 100-kHz-Schaltversorgung entkoppeln. Wie hoch ist seine Impedanz bei 100 kHz und wie hoch ist seine Eigenresonanzfrequenz bei Annahme einer Paketinduktivität von 1 nH? Lösung: 1. Xc bei 100 kHz: C = 100 nF = 100×10F; Xc = 1/ (2π × 100.000 × 100×10) = 15,9 mΩ 2. Gesamtimpedanz: |Z| = √ (0,0159² + 0,05²) = 52,5 mΩ 3. SRF: f_SRF = 1/ (2δ√ (1×10× 100×10)) = 1/ (2π × 10) = 15,9 MHz Ergebnis: Bei 100 kHz liegt der Kondensator deutlich unter SRF und sorgt für eine gute Entkopplung. Bei 15,9 MHz schwingt er mit; oberhalb dieser Frequenz sollte parallel ein kleinerer Kondensator (z. B. 1 nF) hinzugefügt werden.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie mehrere Kondensatorwerte parallel (z. B. 10 μF + 100 nF + 1 nF), um einen breiten Frequenzbereich von kHz bis Hunderten von MHz abzudecken.
  • ✓Platzieren Sie die Kondensatoren 0402 oder 0201 auf derselben Schicht direkt unter den IC-Stromversorgungspins, um eine minimale Gehäuseinduktivität zu gewährleisten.
  • ✓Verwenden Sie bei mehrlagigen Leiterplatten Stromversorgungs- und Masseflächenpaare als verteilte Kapazität — sie sorgen für eine effektive Entkopplung oberhalb von 100 MHz, wenn diskrete Kondensatoren induktiv werden.

Häufige Fehler

  • ✗Wenn nur ein einziger großer Kondensator verwendet wird — oberhalb seines SRF wird er induktiv. Ein 10-μF-Tantal hat einen SRF von etwa 1 MHz; fügen Sie für höhere Frequenzen eine parallele 100-nF-Keramik hinzu.
  • ✗Ignoriert man die Paketinduktivität — ein 0805-Kondensator hat ~2 nH, ein 0402 ~0,7 nH; dies begrenzt direkt die höchste entkoppelte Frequenz.
  • ✗Platzieren Sie den Kondensator weit vom IC-Stromanschluss entfernt — jeder mm Leiterbahn erhöht die Induktivität (≈ 1 nH/mm), was den effektiven ESL erhöht und die Entkopplung über einige MHz verschlechtert.

Häufig gestellte Fragen

Eine gängige Regel ist 100 nF pro Stromanschluss für Frequenzen bis zu ~10 MHz (überprüfen Sie SRF), plus ein 10-μF-Massenkondensator pro Versorgungsschiene pro IC-Cluster. Fügen Sie bei ICs mit schnellen Flanken (DDR, GHz-Takte) zusätzlich 10 nF oder 1 nF pro Stromanschluss hinzu.
Kleinere Kapazitätswerte haben einen proportional geringeren ESL-Einfluss auf SRF. Ein 10 nF 0402-Kondensator hat einen SRF von ≈ 50 MHz gegenüber ≈ 15 MHz für 100 nF. Zur Unterdrückung von Taktoberschwingungen bei über 100 MHz können 10 nF effektiver sein.
Bei Frequenzen weit unter SRF dominiert Xc und der ESR ist vernachlässigbar. In der Nähe von SRF begrenzt ESR die Mindestimpedanz (Impedanz = ESR bei Resonanz). Bei EMV ist ein niedrigerer ESR im Allgemeinen besser, weshalb X5R/X7R-Keramikkondensatoren für die Hochfrequenzentkopplung Tantal vorgezogen werden.

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